引言

鈦合金由于比強度高､與復合材料良好的電化學兼容性，應用范圍比較廣，采用鈦合金作為載體，可以在降低載體重量的前提下，提高載體的工作可靠性，延長載體的使用壽命｡在航空航天等領域，鈦合金主要采用焊接結構，其焊接技術及可焊性已成為世界各國焊接界的重要課題｡

1、鈦合金的特點

鈦合金是一種性能優異的合金｡⑴鈦合金是一種高強度､高硬度的材料｡鈦合金具有比傳統金屬更高的強度和更高的承載能力｡因此，鈦合金在航空發動機､汽車零部件､人造關節等方面具有廣闊的應用前景｡⑵ 鈦合金材料的致密性比較差｡這種特性使得它在諸如航天飛行器等輕量化領域有著巨大的優勢｡減輕飛機的重量，不但可以提高燃料利用率，而且可以使飛機的有效載荷增大，從而提高飛機的綜合性能｡⑶鈦合金也有很好的抗腐蝕性能｡能抗酸､堿､鹽等多種腐蝕介質的腐蝕｡因此，可以用來制作抗腐蝕的管道､容器､外科手術儀器等 [1]｡

2、 鈦合金激光焊技術類型

2.1 脈沖激光焊

脈沖激光焊接是一種通過激光脈沖在焊縫表面形成高能脈沖的方法｡脈沖激光具有較高的峰值功率，可快速熔融､汽化鈦合金，并產生 “小孔” 效應，可實現深熔焊｡脈沖激光焊接具有熱影響區小，焊縫組織細化，接頭綜合性能好等特點｡但是，脈沖激光焊接的速率比較低，只適合于薄厚板的焊接｡

2.2 連續激光焊

連續激光焊接是一種采用連續激光輸出等功率的激光焊接技術｡連續激光器輸出功率穩定，焊接速率高，適合大面積焊接｡與脈沖激光焊接比較，連續激光焊接的焊接表面比較粗糙，需對其進行后處理｡

2.3 復合激光焊

復合激光焊接技術是一種利用脈沖激光與連續激光相結合的焊接技術｡適當地調節脈沖與連續激光的功率及脈寬，可得到較好的焊接質量及焊接質量｡該方法綜合了脈沖激光焊接與連續激光焊接的優勢，適合于各種類型､壁厚的鈦合金零件的焊接 [2]｡

3、鈦合金激光焊存在問題

3.1 焊縫氣孔問題

焊接氣孔是鈦合金激光焊接研究的熱點和難點｡焊接氣孔產生的原因很多｡⑴由于鈦合金自身的化學特性，它對氣孔非常敏感｡鈦合金中的雜質如氧､氮和合金元素的揮發均可引起氣孔的產生｡⑵焊接工藝條件也是影響焊縫處氣孔形成的主要因素｡當激光功率太大或太小時，會造成熔合不均，產生氣孔的危險增大｡如果控制不好，則會引起熔池內的滯留時間過長或過短，同時還會出現氣孔｡另外，保護氣的選用及流速對焊接接頭的防護效果也有一定的影響，從而對焊接中氣孔的產生有一定的影響｡⑶ 對焊接環境進行了分析｡如果有潮氣､污物或其它雜質，則會在焊接時產生氣孔｡焊接之前，一定要保證作業環境干凈､干燥，盡量避免產生氣孔｡⑷材料表面處理對焊接氣孔也有一定的影響｡對焊縫進行正確的前處理與清洗是十分必要的｡焊縫中存在大量氣孔，嚴重影響了焊縫的質量與使用性能，因而研究氣孔的產生機理是提高焊縫質量的關鍵｡

3.2 焊接裂紋問題

鈦合金激光焊接時出現的裂紋是目前急需解決的問題｡⑴鈦合金具有很高的化學活性，在焊接時極易與氧､氮等元素發生化學反應，生成脆性相對較大的脆性相，提高了焊縫的開裂風險｡同時，由于其導熱系數小，在焊接過程中極易形成大的溫度梯度，從而引起焊縫內部應力集中，從而引起焊縫開裂｡⑵激光焊接的高能量密度及快速升溫降溫特性，使其在極短的時間內經受強烈熱循環，極易發生熱開裂｡而激光束在焊接過程中，熔深小，極易產生不熔合等缺陷，使裂紋擴展更加嚴重｡⑶對焊縫開裂也有較大的影響，主要是焊接參數的選取｡在實際應用中，由于激光功率､焊接速度和光斑直徑等因素的影響，會產生開裂｡在鈦合金激光焊接過程中，焊縫開裂是最常見的一種缺陷，其產生的原因很多，嚴重時甚至會引起焊接的失效｡

3.3 變形問題

鈦合金在激光焊接時，容易產生塑性變形，從而降低焊縫的質量與使用性能｡在實際應用中，由于焊縫幾何尺寸的變化，使得工件的加工精度下降，甚至達不到使用要求｡分析了鈦合金在激光焊接過程中產生的變形問題｡⑴鈦合金導熱系數小，但激光焊接熱輸入集中，熱膨脹與收縮不均，造成焊縫變形，嚴重影響其性能｡鈦合金材料的比熱特性決定了其在焊接時極易聚集在焊縫附近，導致焊縫處溫度急劇上升｡焊接完成后，焊縫進入冷卻階段，焊縫及周邊區域因熱膨脹系數不同而出現不同程度的收縮，造成焊縫變形｡⑵焊接時產生的殘余應力也是引起焊縫變形的一個主要因素｡激光焊接過程中，焊縫在受熱､冷卻過程中會發生不均勻的熱､冷，并會形成殘余應力｡在焊接過程中，焊接接頭中的殘余應力高于接頭的屈服極限，將引起焊接接頭的變形｡焊接過程中的殘余應力與焊接工藝參數､焊件幾何尺寸及約束條件密切相關｡⑶焊接變形對焊件的結構設計也有一定的影響｡若被測構件的組織設計不當､焊縫布局不當，則會造成焊件在焊接時的應力分布不均，進而產生變形 [3]｡

4、鈦合金激光焊技術優化措施

4.1 有效解決焊縫氣孔問題

焊縫氣孔會使接頭的強韌化程度下降，如何有效地解決這一問題，是提高鈦合金激光焊接質量的關鍵｡⑴選用合適的焊材｡選用優質的母材及線材是降低焊接缺陷的重要措施｡選用高純度､低氣體含量的鈦合金，焊接時要保證焊條的表面沒有氧化物層和污物｡另外，選擇合適的焊絲直徑及工藝參數對提高焊縫質量具有重要意義｡⑵做好焊接前的準備。焊前，母材表面應完全清除，清除油脂､氧化物及其它雜質｡同時要保證焊縫處的干燥，避免濕氣在焊縫處生成｡⑶對焊接過程中的工藝條件進行優化｡為了有效地降低焊縫中的氣孔，必須對其進行優化｡在此過程中，適當增大激光功率､增大焊接速率，有利于加快熔池的凝固，縮短氣體滯留時間｡通過對焊接溫度､保護氣流量的適當控制，可以減少焊縫中的氣孔｡⑷ 使用惰性氣體進行防護｡采用惰性氣體 (如氬) 對焊縫進行保護，可有效避免焊縫被大氣中的氧､水蒸汽污染｡另外，還可以通過增加氣體流量和增加氣體覆蓋率等措施來改善焊接質量｡⑸焊接后的表面處理。焊接結束后，必須對焊縫做好后處理｡采用退火､熱處理等方法，可有效地消除焊接接頭內的殘余應力，從而降低氣孔的產生｡

4.2 改善焊縫裂紋問題

鈦合金在焊接時，極易產生裂紋等缺陷，嚴重降低了接頭的質量與使用性能｡要解決這個問題，可以采取如下措施:⑴要從根本上解決焊接裂紋的問題，就必須優化焊接工藝｡適當地選取激光功率､速度及光斑尺寸等工藝參數，此外，通過預處理及后熱處理，也能減輕焊接應力，改善接頭的韌性｡⑵選用適當的焊絲對解決焊接裂紋問題也起著重要作用｡焊絲與鈦合金基體具有較好的相容性，能改善焊接接頭的強韌化程度，降低開裂幾率｡另外，在焊接過程中加入少量的稀土元素，如稀土，對焊接接頭的微觀結構有一定的改善作用｡⑶焊接件的前處理也很重要｡在焊接過程中，通過清除工件表面氧化物､雜質等，可以有效地改善焊接質量，降低焊接裂紋｡另外，通過對焊縫的保護，如惰性氣體的保護等，可以有效地避免焊縫的氧化，從而提高焊縫的質量｡通過上述幾個方面的研究，可以有效地解決焊接裂紋問題，從而改善焊縫的質量與性能 [4]｡

4.3 改善焊縫變形問題

鈦合金在焊接時極易發生焊縫變形，針對該問題，從以下幾個方面的解決:⑴合理地選擇焊接工藝參數；通過對各工藝參數的優化，可減小線能量，減小焊縫變形｡如降低激光功率､提高焊接速率，可加速焊接過程中的熱損失，減少變形；⑵合理的焊接次序對減少焊接變形也起到了一定的效果｡多道焊縫的焊接應遵循一定的次序，以防止因熱集中引起的過度變形｡另外，還可以采用對稱焊接和分段焊接的方式，使得焊接過程中的應力分布更均勻，從而降低了焊接變形｡⑶采用預處理､后處理等方法，對解決焊接變形問題也是一種行之有效的方法｡在焊接之前，對被測構件進行合適的預熱處理，可以有效地減小焊縫中的溫度梯度，減小焊縫中的應力｡焊接后的熱處理可以有效地消除殘余應力，提高接頭的組織與性能，降低變形量｡⑷采用先進的焊鉗及約束設備，對焊接變形問題也有明顯改善｡該設備能有效地約束被焊構件的變形，從而確保了焊接的準確性和穩定性｡通過仿真計算，預先對焊接工藝進行優化，實現對焊接變形的有效控制，進而提升接頭的質量與可靠性｡

4.4 優化焊接工藝參數

⑴焊接速率對焊接質量起著決定性的作用｡焊接速率太高，焊縫不均勻，缺陷增多，而焊速太低，又會使線能量增大，使材料變形加劇，晶粒長大｡所以，在實際應用中，要結合鈦合金材料的厚度及焊接工藝，選用合適的焊速，才能保證焊縫的穩定與質量｡⑵ 激光功率的選取對焊縫質量有很大的影響｡隨著激光功率的增大，焊縫的加熱影響區增大，從而增大了焊縫的厚度｡所以，在滿足焊接強度要求的同時，要適當調節激光功率，以防止因溫度過高而引起的材料變形及性能退化｡⑶光斑直徑對焊縫寬度及熔透有較大的影響｡光斑直徑越小，焊縫越窄，但也就越難實現｡因此，在對其進行優化時，應從提高焊接質量､提高焊接效率的角度出發，選取適當的光斑直徑｡⑷保護氣的種類及流速也是影響焊縫質量的主要因素｡氬､氦是一種常見的焊接保護氣，能有效地避免焊接過程中的氧化､污染，并能有效地改善焊接的質量和純度｡在焊接時，要結合鈦合金材料的特點及焊接需要，選用適當的保護氣，控制好流速，保證焊縫周圍的惰性氣氛｡⑸還應進一步優化焊接節點的設計｡通過合理的結構設計，可以降低焊縫的應力集中程度，改善焊縫的強度，延長焊縫的疲勞壽命｡在進行焊縫設計時，要綜合考慮材料物理性質及焊接技術，選擇合適的坡口形式､焊縫形狀等參數，才能達到最好的焊接效果｡通過對各工藝參數的合理選取與調節，可有效地提高焊縫的質量與效率，以適應各行業對鈦合金焊縫的要求｡

5、鈦合金激光焊研究展望

目前，在鈦合金焊接方面已有了一些發展，但是仍然存在很多問題｡比如，鈦合金對激光的吸收能力差，在焊接時對能量的要求也比較高；此外，激光焊接的溫度較高，極易導致鈦合金發生氧化､滲氮，從而降低焊接質量｡未來鈦合金激光焊的發展如下:⑴ 探索新的激光源及焊接技術，以增加鈦合金對激光的吸收能力，減少對能量的消耗｡如利用新的光源如光纖､半導體激光器等，并與脈沖激光､復合激光等先進的焊接技術相結合，可有效地提高焊接的效率與質量｡⑵研制一種適合于鈦合金激光焊接的氬氣保護工藝，以減輕焊接過程中的氧化､滲氮｡通過對保護氣組成及流速的控制，可以有效地避免鈦合金的氧化､滲氮，從而改善接頭的強韌性｡⑶將計算機仿真與智能控制技術應用于鈦合金焊接領域，為今后鈦合金焊接研究提供了新的思路｡利用有限元分析方法，對焊縫溫度場､應力場及變形狀態進行了預測，從而對焊接工藝進行優化；該系統能夠實時監測､調節焊接工藝，確保焊接質量穩定｡⑷激光焊接鈦合金需要與材料､機械等多個學科相結合 [5]｡

6、結語

隨著航空航天和醫療等領域對鈦合金的需求量越來越大，對其焊接工藝提出了更高的要求｡通過對鈦合金激光焊的深入研究，可有效地提高其焊接效率､質量､降低制造成本，促進其在上述行業中的推廣應用，對促進鈦合金焊接質量､促進相關行業發展､促進我國制造水平的提高，也是一項十分有意義的研究課題｡為此，應該加強對鈦合金激光焊的研究，為其更廣泛的應用奠定基礎｡

參考文獻    

[1] 魏玉順，馬青軍，武鵬博.TC4 鈦合金激光焊接技術研究進展 [J]. 電焊機，2023,53 (8):55-66.

[2] 趙興科，徐明亮，徐帥。鈦合金激光表面加工研究進展 [J]. 材料研究與應用，2023,17 (4):643-657.

[3] 楊環宇，徐信坤，巴現禮。低功率激光 - 雙電弧焊接鈦合金中厚板工藝及機理 [J]. 機械制造文摘 (焊接分冊),2023 (3):1-8.

[4] 王鵬，馬蕊，魏永勝。鈦合金結構件激光焊典型焊接缺陷及其控制技術 [J]. 焊接技術，2022,51 (8):151-155.

[5] 尚慶慧，徐海龍。異質鈦合金激光焊研究現狀及存在問題 [J]. 焊接技術，2022,51 (11):11-15.

（注，原文標題：鈦合金激光焊研究現狀與展望）

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tag標簽:復合激光焊,鈦合金精密成形,能量調控,缺陷抑制,先進激光焊接

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